48650

Расчет структуры осесимметричных стационарных электромагнитных полей

Курсовая

Физика

Решение производится в цилиндрических координатах связанных с центром основания цилиндра r радиусвектор точки наблюдения ось x направлена вдоль приложенного магнитного поля рис.1 методом разделения переменных методом Фурьев соответствии с которым решение будем искать в виде произведения двух функций каждая из которых зависит только от одной координаты: 1.4 Этим самым решение уравнения 1.

Русский

2013-12-13

203 KB

3 чел.

Расчет структуры осесимметричных стационарных

электромагнитных полей.

1. Общее  задание.

      Осесимметричное тело радиуса R находится в однородном внешнем электрическом поле Е0, перпендикулярном к его оси. Заданы материальные характеристики окружающей среды. Получить аналитические выражения для потенциалов i и e и для полей Еi  и Ee, соответственно внутри и вне тела. Для заданных численных  значений параметров задачи построить семейство эквипотенциальных линий (10) в плоскости оси симметрии тела. Найти плотность зарядов поверхности проводника.

2. Параметры  задачи.

     Бесконечный заряженный проводящий цилиндр в вакууме

R = 6см, E0 = 100 кВ/м, e = 1, = 8*10-8 Кл/м Координаты точки M: r=6 см, =45.

3. Решение.

       Решение производится в цилиндрических координатах, связанных с центром основания цилиндра, r — радиус-вектор точки наблюдения, ось x направлена вдоль приложенного магнитного поля (рис. 1.1).

При таком расположении цилиндра, потенциал поля не будет зависеть от координаты z, и двухмерное уравнение Лапласа

Рис 1.1

запишется в виде [1]:

 (1.1)

Как внутри, так и вне цилиндра сторонних зарядов нет, поэтому следует решать уравнение Лапласа  с соответствующими граничными условиями на поверхности r =R.

Решим уравнение (1.1) методом разделения переменных (методом Фурье),в соответствии с которым решение будем искать в виде произведения двух функций, каждая из которых зависит только от одной координаты:

 (1.2)

    После подстановки выражения (1.2) в (1.1) получается

    Домножая на r /MN, легко заметить, что переменные разделяются

      Это равенство не должно нарушаться, если одну из независимых переменных  r  или произвольно менять, а другой придать произвольное, но постоянное значение. Очевидно, что при изменениях r или каждая часть уравнения должна  оставаться постоянной и равной одному и тому же числу – постоянной разделения

p [1]:                 

       (1.3)

     (1.4)

       Этим самым решение уравнения (1.1) с частными производными сведено к более простой задаче - к решению обыкновенных дифференциальных уравнений.

      Прежде всего надо найти частные решения уравнений (1.3) и (1.4) для  p=0. Обозначим их M0 и N0, и в результате получим:

      Т. к. потенциал является четной функцией относительно ,  т. е.

то необходимо принять

     Если взять, согласно равенству (1.2), произведение функций  и  и  изменить обозначение постоянных, то можно получить частное решение уравнения Лапласа в виде

         (1.5)

     Пусть теперь постоянная разделения p в уравнениях (1.3) и (1.4) отлична от нуля.

     Для решения уравнения (1.3) применим подстановку Эйлера  Первая и вторая производные соответственно будут равны

     Подставим производные в уравнение

или            (1.6)

     Значение p определим при интегрировании уравнения (1.4):

      Решение его можно записать в виде N = E cos[2]. Убедимся в этом путем подстановки и одновременно найдем значение  p:

    Следовательно, p = 1.

    После нахождения числа p подставим его в (1.6) и найдем:  и  Таким образом, совместное решение уравнений (1.3) и (1.4) при p, не равном нулю, дает следующее выражение для

       (1.7)

   Полное решение:

    (1.8)

      В (1.8) присутствуют четыре неизвестных постоянных, значения которых зависят от того, какой цилиндр (проводящий или диэлектрический) внесен в поле. Для их определения надо учесть также не только условия на поверхности, но и на довольно большом отдалении от цилиндра, т.е. условия на бесконечности. Так как отрицательные заряды смещаются на поверхность тела, которая обращена в сторону более высокого потенциала, а положительные в противоположную сторону. Поверхность тела эквипотенциальна. Вектор напряжённости внешнего поля в точке поверхности (любой) подходит к ней под прямым углом. Внутри проводящего тела напряженность поля равна нулю, так как внешнее поле компенсируется полем зарядов, расположенных на поверхности тела.

на бесконечности:

= 0 – Е0cos +  (1.9).

Так как решение уравнения  (1.8) годится  и для точек поля, весьма далеко (бесконечно далеко) удалённых от цилиндра, то можно сопоставить выражения (1.8) и (1.9). Они должны давать один и тот же результат. Это будет только в том случае, когда соответствующие слагаемые в обоих выражениях равны. Из сопоставления следует, что

Для нахождения  С4 воспользуемся тем, что в условиях электростатики все точки поверхности шара имеют один и тот же потенциал. Пусть R в данных уравнениях равно  R из условия, тогда:

= const = 0 +  +(  - RЕ0 )cos .        (1.10)

Правая часть будет постоянной с изменением только при условии, что  - RЕ0 = 0, откуда

С4 = E0R2.        (1.11)

Получим аналитическое выражение для потенциала цилиндра:

= 0 +  +(  - R)Е0 cos .

  r=-=- Е0 cos ( - - 1) +;          (1.12)

     ;

Уравнение эквипотенциальных линий в плоскости, проходящей через центр цилиндра перпендикулярно электрическому полю Е0, заданное в цилиндрических координатах, имеет вид

    , (1.13)

где n=const – фиксированное значение потенциала, выбранное для построения;

эквипотенциалы (n=1,2,3...).

    =   +(  - R)Е0 cos .

Найдём плотность зарядов поверхности проводника.

= D  = 0E.

=


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25293. Проблема людини і світу у працях українських шестидесятників 32 KB
  Проблема людини і світу у працях українських шестидесятників Парадигмальні зрушення котрі було започатковано в українській філософії 60х років мали значущість не лише науковофілософську а й загальнокультурну й навіть політичну. Цінності культури розглядаються як квінтесенція духовного досвіду людини та як найважливіший регулятив її світовідношення. У центр своїх наукових пошуків Іванов поставив проблему людини. При розгляді цієї проблеми виходив з діяльних аспектів людського буття єдності онтологічних світоглядних та гносеологічних...
25294. Проблема методології та логіки наукового пізнання в Україні 60-80-х років 32.5 KB
  Проблема методології та логіки наукового пізнання в Україні 6080х років Головною орієнтацією наукового пізнання в цей період було звернення до матеріалізму в природознавстві.Копнін – засновник світоглядногносеологічної школи – орієнтував свою філософію на розкриття світоглядних методологічних і гносеологічних аспектів розвитку наукового пізнання проблеми діалектичної логіки розвиток діалектики як теорії пізнання діалектичного матеріалізму з’ясування взаємозв’язку філософії з іншими науками обґрунтування творчої активності суб’єкта...
25295. Діалектичний матеріалізм – міф чи реальність 33 KB
  діалектичний матеріалізм – міф чи реальність. Діалектичний матеріалізм позначає філософію в офіційній доктрині комуністичних партій але також у деяких її критиків напр. Анрі Лефевр €œДіалектичний матеріалізм€ 1940. Подальше застосування терміна належить Леніну €œМатеріалізм та емпіріокритицизм€ 1908.
25296. Українська філософська думка за умов постнекласичної науки та постмодерної культури 33.5 KB
  Українська філософська думка за умов постнекласичної науки та постмодерної культури Екологічна парадигма радикально змінює спрямованість сучасного філософськосвітоглядного розмислу. Микола Тарасенко 19391995 присвятив все життя вивченню взаємозв’язку природи культури та технології. Вивчення взаємовідношення людини й природи приводить дослідника до роздумів щодо культури яка втілюючись у певних типах особистостей та типах суспільної діяльності задає рівень людяності цього взаємовідношення. В дослідженні Природа технологія культура:...
25297. Основні положення християнського віровчення і культу. Нікейський символ віри, його аналітичний виклад 33.5 KB
  Він для нас людей і для нашого спасіння зійшов з небес і тіло прийняв від Духа Святого і Діви Марії і став людиною. І в Духа Святого Господа Животворящого що від Отця походить що Йому с Отцем і Сином однакове поклоніння і однакова слава належить що говорить через пророків. 8 член Символу віри про віру в Духа Святого. За традицією це ім'я пов'язано з ім'ям святого якому присвячено день коли хрестили немовля.
25298. Філософські дискусії 20-30-х років та їх переломлення в Україні 32 KB
  Філософські дискусії 2030х років та їх переломлення в Україні У 2030х роках починає формуватися марксистськоленінський€ світогляд. У зв’язку з цим починається боротьба за утвердження марксистськоленінського природознавства€ яке розпочавшись з дискусії 30х років завершилося не тільки встановленням повного контролю політичноідеологічної системи над природознавством але й розгромом цілого ряду наукових напрямів фізичним знищенням їх представників. З перших днів утвердження радянської влади на Україні культура освіта наука...
25299. Філософський доробок С.Семковського 93 KB
  Тут він заснував першу в Україні кафедру марксизму і марксознавства яка потім перетворилася на Український інститут марксизму в якому до 1931 р. інституті марксизмуленінізму був створений філсоціолог. марксизму У 1918 р. кафедру марксизму і марксознавства яка потім перетв.
25300. В.Юринець та його філософський спадок 28.5 KB
  Юринець та його філософський спадок Юринець Володимир Олександрович 18911937.
25301. Слуховой анализатор 48.5 KB
  Средняя сосудистая оболочка в передней части глаза образует ресничное тело и радужную оболочку обуславливающую цвет глаз. Внутренняя сетчатая оболочка сетчатка или ретина содержит фоторецепторы глаза палочки и колбочки и служит для преобразования световой энергии в нервное возбуждение. Светопреломляющие среды глаза преломляя световые лучи обеспечивают четкое изображение на сетчатке. Основными преломляющими средами глаза человека являются роговица и хрусталик.